Ich hatte in meinem letzten Laserartikel geschrieben, dass sich mit Hochleistungs-Lasern Röntgenstrahlung erzeugen lässt. Das spannende an dieser Anwendung ist, dass sich so auch die kürzesten Laserimpulse erzeugen lassen. Im Bereich von hunderten Attosekunden sind sie zehn bis hundert Mal kürzer als die kürzesten Femtosekunden-Laser.
Abrupte Klimaschwankungen seit 2000 Jahren
Innerhalb der letzten zwei Jahrtausende sind verschiedene abrupte Klimaschwankungen nachweisbar. Der fortwährende Wandel des Klimas verzeichnete allein fünf große Klimaepochen und zahlreiche kleinere, die anhand von Klimadiagrammen nachvollzogen werden können:
– Klimaoptimum während der Römerzeit (200 v.Chr. – 400 n.Chr.),
– Klimaverschlechterung zur Zeit der germanischen Völkerwanderungen (400 – 800),
– Mittelalterliches Klimaoptimum (800 – 1300),
– allgemeine Klimaverschlechterung im 14. Jh. mit Kleiner Eiszeit (1450 – 1850),
– zeitgenössisches Klimaoptimum (seit 1850).
Die zugrundeliegenden Prozesse für das Auftreten und die Amplitude der Schwankungen sind umstritten, da als Ursache nicht die menschengemachte CO2-Emission in Frage kommt. Doch aufgrund neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse über die Sonnenaktivität ist nun eine Lösung in Sicht.
Ein Wellen-Zyklus eines Infrarotlasers auf Titan-Saphir-Basis ist etwa drei Femtosekunden lang. Kürzer kann solch ein Laser nicht sein. Er ist aber stark genug um Edelgasatomen Elektronen zu entreißen und diese im nächsten Halbzyklus wieder auf die Atomrümpfe zurückzuschleudern. Bei der Wiedervereinigung von Elektron und Atomrumpf entsteht jedesmal ein kurzer Lichtblitz hoher Energie. Dieser Lichtblitz ist mit einem Knall vergleichbar: Er enthält ein chaotisches Spektrum vieler Wellenlängen im Bereich von etwa zehn Nanometern, also im Extrem-Ultraviolett-Bereich.1
Aus Knall wird Laser
Viele ultrakurze, extrem-ultraviolette Lichtblitze wären technisch bereits eine nützliche Sache. Man kann zeitlich hochaufgelöste Spektroskopie damit betreiben. Es kommt aber noch besser: Aus einem Gas unzähliger Atome kommt bei dieser Methode nicht nur thermische Strahlung wie bei einer Glühbirne heraus. Die Strahlung hat Laser-Eigenschaften: Eine klar definierte Strahlrichtung und ein sauberes Spektrum von Wellenlängen.
Der Grund dafür ist, dass die optischen Knalle nicht zufällig in der Gaswolke auftreten, sondern stets dort, wo der anregende Laserimpuls gerade durch läuft. Wir haben es also mit einer Anregungswelle zu tun, ähnlich einer La-Ola-Welle im Fußballstadion. Und so wie das einzelne Auf-und-Nieder eines angetrunkenen Fußballfans wenig koordiniert wirkt, die Welle von außen aber elegant sein kann, so entsteht auch hier durch die konzertierte Aktion vieler Atome insgesamt ein geordneter Prozess.
Stimulierte Emission
„Laser“ bedeutet Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung2. Genau das ist, was hier passiert: Während die ersten paar Atome noch eher unkoordiniert in alle Richtungen strahlen, sehen die Atome, bei denen der anregende Laserimpuls später ankommt, nicht nur den Infrarot-Laser, sondern auch das schon erzeugte Extrem-Ultraviolett der vorhergehenden Atome.
Nun neigen angeregte Atome dazu, nicht nur dazu, spontan in alle Richtungen zu leuchten, sondern auch existierende Lichtfelder zu verstärken. Genau das ist stimulierte Emission. Sie ist proportional zum Bereits vorhandenen Lichtfeld.
So entsteht im atomaren Gas eine Art Lawine: Die durchlaufende Infrarot-Impuls erzeugt hoch angeregte Elektronenzustände, die spontan Extrem-Ultraviolett strahlen können. Je stärker aber das Extrem-Ultraviolett-Feld schon ist, desto eher reißt es weitere Photonen der angeregten Atome mit. Ein kurzer, intensiver Laser-Impuls baut sich auf. Er ist stark gerichtet und unter eine Femtosekunde kurz. Ein Attosekunden-Laser.
Nützlich ist dabei auch, dass jeder Attosekunden-Impuls exakt mit dem erzeugenden Femtosekunden-Infrarotlaser synchron ist. Damit lassen sich präzise zeitaufgelöste Experimente gestalten.
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